传感器-第2章-传感器定义

1、传感器原理与应用一、传感器定义二、传感器组成三、传感器分类四、传感器特性传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。一、传感器的定义：被测量：物理量、化学量、生物量 可用信号：便于处理和传输的非噪声信号 （电信号、光信号）规律：确定规律，可以重复（线性、非线性、周期）传感器：传-传递信息；感-感受被测量；器-器件例：热敏电阻 - 温度变化 - 电阻变化RR=f(T)一、传感器的定义：表明传感器有以下含义：按使用的场合不同又称

2、为： 变换器、换能器、探测器输入量可能是物理量，也可能是化学量等输出量是某种物理量，主要是电物理量输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度传感器能完成检测任务；非电量电量（电阻、电压、电流、频率、电感、电容、电量）一、传感器的定义：传感器：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量传感器功能：检测和转换。敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分从传感器的定义中，可以归纳出以下信息：一、传感器的定义：辅助电源敏感元

3、件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。二、传感器的组成三、 传感器的分类 三、 传感器的分类 三、 传感器的分类 三、 传感器的分类 三、 传感器的分类 三、 传感器的分类 1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等 2、按构成原理，结构型与物性型两大类 3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器4、按照物理原理分类：十种 5、按照传感器的用途分类 ：位

4、移、压力、振动、温度传感器7、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号 6、根据转换过程可逆与否 ：单向和双向8、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器 习题一、单项选择题1、下列不属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是（ ）。 A. 应变式传感器 B. 化学型传感器 C. 压电式传感器 D. 热电式传感器2、通常意义上的传感器包含了敏感元件和（ ）两个组成部分。 A. 放大电路 B. 数据采集电路 C. 转换元件 D. 滤波元件3、自动控制技术、通信技术、连同计算机技术和（ ），构成信息技术的完整信息链。 A. 汽车制造技术 B. 建筑技术 C. 传感技术 D.监测技术4、传感器按其

5、敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和（ ）三大类。 A. 生物型 B. 电子型 C. 材料型 D. 薄膜型 5、 随着人们对各项产品技术含量的要求的不断提高，传感器也朝向智能化方面发展，其中，典型的传感器智能化结构模式是（ ）。 A. 传感器通信技术 B. 传感器微处理器 C. 传感器多媒体技术 D. 传感器计算机 习题6、近年来，仿生传感器的研究越来越热，其主要就是模仿人的（ ）的传感器。A. 视觉器官 B. 听觉器官 C. 嗅觉器官 D. 感觉器官 7、若将计算机比喻成人的大脑，那么传感器则可以比喻为( )。A眼睛 B. 感觉器官 C. 手 D. 皮肤 8、传感器主要完成两个方面的功能

6、：检测和（ ）。A. 测量 B. 感知 C. 信号调节 D. 转换9、传感技术与信息学科紧密相连，是（ ）和自动转换技术的总称。 A. 自动调节 B. 自动测量 C. 自动检测 D. 信息获取10、以下传感器中属于按传感器的工作原理命名的是（ ） A应变式传感器 B速度传感器C化学型传感器 D能量控制型传感器二、多项选择题1、传感器在工作过程中，必须满足一些基本的物理定律，其中包含（ ）。 A. 能量守恒定律 B. 电磁场感应定律 C. 欧姆定律 D. 胡克定律2、传感技术是一个集物理、化学、材料、器件、电子、生物工程等学科于一体的交叉学科，涉及（ ）等多方面的综合技术。 A. 传感检测原理

7、B. 传感器件设计 C. 传感器的开发和应用 D. 传感器的销售和售后服务习题3、目前，传感器以及传感技术、自动检测技术都得到了广泛的应用，以下领域采用了传感技术的有：（ ）。A. 工业领域 B. 海洋开发领域 C. 航天技术领域 D. 医疗诊断技术领域 4、传感器有多种基本构成类型，包含以下哪几个（ ）？A. 自源型 B. 带激励型 C. 外源型 D. 自组装型 5、下列属于传感器的分类方法的是：（ ） A. 按输入量分 B. 按工作原理分 C. 按输出量分 D. 按能量变换关系分 6、下列属于传感器的分类方法的是：（ ）A. 按输入量分 B. 按工作原理分 C. 按构成分 D. 按输出量分

8、7、下列属于传感器的分类方法的是：（ ）A. 按基本效应分 B. 按工作原理分 C. 按构成分 D. 按输出量分8、传感技术的作用主要体现在：() A传感技术是产品检验和质量控制的重要手段B. 传感技术在系统安全经济运行监测中得到广泛应用C传感技术及装置是自动化系统不可缺少的组成部分D. 传感技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步9、传感技术的研究内容主要包括：() A信息获取B信息转换C信息处理D信息传输习题10、传感技术的发展趋势主要表现在以下哪几个方面：( ) A提高与改善传感器的技术性能B开展基础理论研究 C传感器的集成化 D传感器的智能化三、填空题1、传感技术与信息学科紧密相关，是

9、 和 的总称。2、传感技术是以研究自动检测系统中的 、 和 的理论和技术为主要内容的一门技术性学科。3、传感器要完成的两个方面的功能是 和 。4、传感器按构成原理，可分为 型和 型两大类。5、传感器一般由 、 和 等三部分组成。6、传感器能感受 并按照 转换成可用输出信号的器件或装置。7、按输入量分类，传感器包括位移传感器、速度传感器、 、 等。8、传感器的输出量有 和 两种。9、根据传感技术涵盖的基本效应，传感器可分为 、化学型和 。10、传感器是能感受规定的被测量并按照 转换成可用输出信号的器件或装置传感器，通常由直接响应于被测量的 、产生可用信号输出的 以及相应的 组成。习题11、传感器

10、是能 并按照一定规律转换成可用 的器件或装置。是实现 的基本器件。12、传感器技术的共性，就是利用物理定律和物质的 ，将 转换成 。13、由传感器的定义可知，传感器要完成两个方面的功能： 和 。因此传感器通常由 和 组成。14、 是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性了解和定量掌握所采取的一系列技术措施。 15、根据传感器的构成，可以将传感器分为 和 。三、简答题1、什么是传感器？ 传感器的共性是什么？ 2、解释什么是传感器？传感器的基本组成包括哪两大部分？这两大部分各自起什么作用？3、请简述传感器技术的分类方法。4、请谈谈你对传感技术的发展趋势的一些看法。5、试述传感器的定义、共性及组成。

11、四、 传感器的特性 传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。 当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性； 当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响 传感器输入输出作用图输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标（一）、静态特性技术指标 这时传感器的输入量与输出量之间在数值上一般具有一定的对应关系，关系式中不含有时间变量。对静态特性而言，传感器的输入量x与输出量y之间的关系通常可用一个如下的多项式表

12、示： y=a0+a1x+a2x2+anxn 式中：a0输入量x为零时的输出量； a1，a2，an 非线性项系数。 传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、 迟滞、线性度、重复性和漂移等。 1. 灵敏度 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x之比。用S表示灵敏度，即 它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然， 灵敏度S值越大， 表示传感器越灵敏。 由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即s=(S/S)100%图2-2 传感器的灵敏度 2. 线性度 传感器的线性度是指在全量程范围内

13、实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Lmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用L表示，即 式中： Lmax最大非线性绝对误差； YFS满量程输出值。 线性度示意图 从传感器的性能看， 希望具有线性关系， 即理想输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性。非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。直线拟合方法 a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合3. 迟滞传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行

14、程中输出输入曲线不重合程度为迟滞。0yxHmaxyFS迟滞特性迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差，用H表示，即 4. 重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即yx0Rmax2Rmax1Rmax1正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。 5分辨力与阈值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输

15、入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。 6稳定性测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。 稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。 7. 漂移 传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面： 一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。 最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温度

16、漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。 温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为20）时的输出值的变化量与温度变化量之比()来表示， 即 指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。 8抗干扰稳定性与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)9、精确度精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5。精密度是随即误差大小的标

17、志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的精确度常以测量误差的相对值表示。 （c）精确度高（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高习 题一、单项选择题1、衡量传感器静态特性的指标不包括（ ）。 A. 线性度 B. 灵敏度 C. 频域响应 D.

18、重复性2、下列指标属于衡量传感器动态特性的评价指标的是（ ）。 A. 时域响应 B. 线性度 C. 零点漂移 D. 灵敏度3、一阶传感器输出达到稳态值的50%所需的时间是（ ）。 A. 延迟时间 B. 上升时间 C. 峰值时间 D. 响应时间4、一阶传感器输出达到稳态值的90%所需的时间是（ ）。 A. 延迟时间 B. 上升时间 C. 峰值时间 D. 响应时间 5、传感器的下列指标全部属于静态特性的是（ ） A线性度、灵敏度、阻尼系数 B幅频特性、相频特性、稳态误差 C迟滞、重复性、漂移 D精度、时间常数、重复性CAABC6、传感器的下列指标全部属于动态特性的是（ ） A迟滞、灵敏度、阻尼系数

19、 B幅频特性、相频特性 C重复性、漂移 D精度、时间常数、重复性7、不属于传感器静态特性指标的是（ ） A重复性 B固有频率 C灵敏度 D漂移8、传感器的静态特性，是指当传感器输入、输出不随( )变化时，其输出-输入的特性。 A.时间 B.被测量 C.环境 D.地理位置9、非线性度是测量装置的输出和输入是否保持( )关系的一种度量。 A.相等 B.相似 C.理想比例 D.近似比例10、回程误差表明的是在( )期间输出-输入特性曲线不重合的程度。 A.多次测量 B.同次测量 C.正反行程 D.不同测量BBACC习 题二、多项选择题1阶跃输入时表征传感器动态特性的指标有哪些？（ ） A.上升时间

20、B.响应时间 C.超调量 D.重复性2动态响应可以采取多种方法来描述，以下属于用来描述动态响应的方法是：（ ） A.精度测试法 B.频率响应函数 C.传递函数 D.脉冲响应函数3. 传感器静态特性包括许多因素，以下属于静态特性因素的有（ ）。 A迟滞 B.重复性 C.线性度 D.灵敏度4. 传感器静态特性指标表征的重要指标有：（ ） A.灵敏度 B.非线性度 C.回程误差 D.重复性5一般而言，传感器的线性度并不是很理想，这就要求使用一定的线性化方法，以下属于线性化方法的有:（ ） A.端点线性 B.独立线性 C.自然样条插值 D.最小二乘线性ABCBCDABCDABDABCD习 题习 题三、

21、填空题1、灵敏度是传感器在稳态下 对 的比值。2、系统灵敏度越 ，就越容易受到外界干扰的影响，系统的稳定性就越 。3、 是指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。4、传感器的灵敏度是指 。6、衡量传感器的静态特性的指标包含 、 、 、 和 。7、一个高精度的传感器必须有良好的 和_ _，才能完成信号无失真的转换。9、阶跃响应特性是指在输入为 时，传感器的输出随 的变化特性。常用响应曲线的 、 、 作为评定指标。11、某位移传感器，当输入量变化5mm时，输出电压变化300mv ，其灵敏度为 。输出量变化漂移输入量变化高在稳态信号下输出量变化对输入量变化的比值线性度灵敏度迟滞重复性漂

22、移静态特性动态特性阶跃函数时间上升时间响应时间超调量60mv/mm差习 题四、简答题 1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？ 如何用公式表征这些性能指标？ 2、什么是传感器的动态特性？ 其分析方法有哪几种？ 3、什么是传感器的静特性？主要指标有哪些？有何实际意义？ 4、什么是传感器的基本特性?传感器的基本特性主要包括哪两大类？解释其定义并分别列出描述这两大特性的主要指标。(要求每种特性至少列出2种常用指标) 五、计算题 1、试求下列一组数据的端点线性度： 习 题 2、试计算某压力传感器的迟滞误差和重复性误差（一组测试数据如下表示）。作业2.3解(1) 端点线性度： 设拟合直线为： ，

23、根据两个端点(0,0)和(0.12，16.5)，则拟合直线斜率 端点拟合直线为 x0.020.040.060.080.1y实际(max)0.563.967.410.8814.47y理论2.755.58.251113.75=y实际-y理论-2.19-1.54-0.85-0.120.72作业2.3解：(2) 迟滞误差： 迟滞误差 A 第一次测量： ,由所给数据可得 , B 第二次测量： ,由所给数据可得 , C 第三次测量： ,由所给数据可得 , 作业2.3解：(3)重复性误差： 由所给数据可得， 正行程： ，反行程： 又 重复性误差 （二）、传感器的动态特性 传感器的动态特性是指输入量随时间变化

24、时传感器的响应特性。它们的动态特性一般都可以用下述的微分方程来描述： 式中，a0、a1、, an, b0、b1、., bm是与传感器的结构特性有关的常系数。 当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数 微分方程中，系数除了a0、b0之外，其它的系数均为零，则微分方程就变成简单的代数方程， 即a0y(t)=b0 x(t) 通常将该代数方程写成 y(t)=kx(t) 式中，k=b0/a0为传感器的静态灵敏度或放大系数。传感器的动态特性用上式来描述的就称为零阶系统。 1、 零阶系统 零阶系统具有理想的动态特性，无论被测量x(t)如何随时间变化，零阶系统的输出都不会失真，其

25、输出在时间上也无任何滞后， 所以零阶系统又称为比例系统。 在工程应用中，电位器式的电阻传感器、变面积式的电容传感器及利用静态式压力传感器测量液位均可看作零阶系统。 微分方程除系数a1， a0 ，b0外其他系数均为0，则a1(dy/dt)+a0y= b0 x时间常数( = a1/a0)；K静态灵敏度( K= b0/a0)传递函数：频率特性：幅频特性：相频特性：负号表示相位滞后时间常数 越小，系统的频率特性越好 如不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻容滤波器等均可看作为一阶系统。 2、 一阶系统3、二阶传感器很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：时间常数， ； 0自

26、振角频率,0=1/ 阻尼比， ； k静态灵敏度，k=b0/a不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。传递函数幅频特性相频特性频率特性2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)(b)0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0（a）幅频特性 （b）相频特性 当0时，在=1处H()趋近无穷大，这一现象称之为谐振。 随着的增大，谐振现象逐渐

27、不明显。 当0.707时，不再出现谐振，这时H()将随着的增大而单调下降。阻尼比的影响较大。六、 传感器的标定1、定义 所谓传感器的标定，就是利用已知的输入量输入传感器，测量传感器相应的输出量，并进而得到传感器输入输出特性的过程。 标定一般包括如下内容： （1）确定一个表达传感器输入输出信号间关系的数学模型。 （2）设计一个标定实验，对传感器施加输入，测量相应的输出。 （3）对标定实验得到的数据进行处理，确定（1）中数学模型的参数及测量误差。 （4）对模型进行分析，确定其是否合适。如不合适，则需要对其加以修正或考虑新的数学模型。2、标定实验的设计标定可采用两种方式：绝对标定及相对标定。 绝对标

28、定是将传感器的输出与真实的固定输入值的输出相比较。相对标定是将传感器的输出与已标定好的传感器输出相比较。 相对标定是将两个传感器的输出进行比较而确定被标定传感器性能的方法，因此相对标定的实验设计中，需要两个传感器：一个是被标定的传感器，称为工作传感器；另一个是作为参考基准的传感器，称为参考传感器或基准传感器，后者是经过绝对标定或高一级精度的相对标定法校准过。参 考传感器工 作传感器振 动控制台 图示为用相对标定法确定加速度传感器灵敏度示意图。所采用的传感器为压电式传感器，其输出电压与加速度成正比。被标定的工作传感器与作为参考基准的参考传感器都安装在振动台上经受相同的简谐振动。设两个传感器的输出电压分别为和0,参考传感器的灵敏度为S0，则工作传感器的灵敏度为：七、选择传感器时需考虑的问题1、测量方面（1）测量的真正目的是什么？（2）被测对象是什么？（3）被测参量是单调增加还是单调减少，或者两者都有？（4）最终数据显示的测量值的范围如